1. INTRODUÇÃO

O Edifício Comercial Brookfield Century Plaza, localizado em Alphaville, São Paulo, Brasil, foi projetado para ser apoiado em dois grandes blocos de concreto. Cada um deles com dimensões de 28.4m x 18.6m por 4.5m de altura (o que representa um total de cerca de 2,400m³ ou 3,000yd³ de concreto) e contendo da ordem de 400t de aço. A resistência à compressão especificada em projeto foi de ≥70 MPa (10,000psi).

Figura 1. Perspectiva ilustrada do Edifício Comercial Brookfield Century Plaza (http://www.br.brookfield.com/). 

O escopo deste artigo consiste em apresentar os procedimentos e boas práticas de engenharia para obter o melhor desempenho e qualidade destes grandes blocos concebidos em concreto de alta resistência, incluindo o desenvolvimento de um estudo de dosagem para obtenção do traço de concreto que melhor atendesse às especificações técnicas e de projeto, de uma simulação computacional eficiente para tratamento dos cálculos térmicos do calor de hidratação, bem como o estabelecimento de procedimentos de produção e aplicação do concreto e supervisão da execução em campo.

2. CONCEITO DE CONCRETO MASSA

Comparado ao concreto conhecido como “normal” ou “convencional”, o concreto massa possui uma peculiaridade em destaque que é a dificuldade de liberar o calor gerado pelas reações químicas exotérmicas de hidratação do cimento. A liberação do calor no interior da massa de concreto é influenciada pelas propriedades térmicas dos materiais empregados, pelas condições ambientais e pelas dimensões/geometria do elemento estrutural de concreto (^{ACI, 2005}; ^{Mehta e Monteiro, 2014}; ^{Isaia, 2011}).

A hidratação do cimento Portland é uma reação exotérmica, que libera energia térmica no interior do concreto após sua aplicação. O calor liberado ao meio exterior é influenciado pelas características térmicas dos materiais empregados, pelas condições ambientais e pelas dimensões da estrutura.

O concreto, através de seu coeficiente de dilatação térmica, também sofre variações dimensionais expansivas quando exposto à ação da temperatura decorrente desta reação química. Como ainda não está totalmente solidificado, expande quase livre e rapidamente, pois as reações exotérmicas principais, na maioria das vezes, ocorrem nas primeiras idades, a aproximadamente 50h-120h após a concretagem.

Ao resfriar-se à temperatura ambiente, o que ocorre de forma irregular e de fora para dentro criando gradientes térmicos importantes, fica sujeito a uma retração ou contração térmica. Esta retração, por conta das restrições naturais de atrito e engastamentos, induz o surgimento de tensões que podem superar as tensões resistentes de tração do concreto, provocando a fissuração de origem térmica da estrutura (^{ACI, 2005}; Furnas, 2007).

Nesse aspecto, entende-se que para a concepção de elementos estruturais envolvendo concreto massa, como os blocos de fundação deste artigo, são necessários cuidados especiais, no que tange ao estudo de dosagem racional do concreto [por exemplo, com o menor consumo de cimento (clínquer) possível, informando a necessidade ou não do uso de gelo e materiais suplementares como escória, cinza volante e metacaulim], a simulação térmica eficiente (capaz de informar a necessidade ou não de concretagens em mais de uma camada, bem como fornecer subsídios para elaboração de um plano detalhado de concretagem), o procedimento executivo apropriado (capaz de fornecer diretrizes para controle da temperatura máxima de lançamento do concreto e outras particularidades) e ainda o acompanhamento técnico especializado dos eventos de concretagem, a fim de minimizar potenciais manifestações patológicas futuras.

3. ESTUDO DE DOSAGEM DO CONCRETO

O traço de concreto para este objetivo foi desenvolvido através de extensos estudos de laboratório e de campo. As proporções da mistura foram baseadas nas diretrizes do método de dosagem do IBRACON (^{Tutikian e Helene, 2011}), nos insumos disponíveis na região, nas particularidades de campo e em conformidade com os requisitos da ABNT NBR 12655: 2006 (^{ABNT, 2006}) e do ACI 237R-07 (^{ACI, 2007}), bem como as especificações do projeto estrutural, orientado por dois parâmetros:

Por estas razões, decidiu-se por substituir toda a água de amassamento por gelo e usar CP III-40 e adição de metacaulim no traço de concreto (com o intuito de reduzir o calor de hidratação), bem como empregar concreto autoadensável para facilitar o lançamento e evitar falhas de concretagem, pois há dificuldade de vibração.

O traço de concreto foi elaborado em um laboratório na cidade de São Paulo. Diferentes traços foram desenvolvidos, com distintas proporções de argamassa (Figura 2). Para cada traço candidato, as propriedades do concreto no estado fresco, como o conteúdo de ar aprisionado, massa específica e espalhamento (slump-flow) foram aferidos, e corpos de prova foram moldados, para serem ensaiados aos 3, 7 e 28dias, com o objetivo de verificar a resistência à compressão, como apresentam as Figuras 3 e 4, a seguir.

Figura 2. Estudos de dosagem com diferentes teores de argamassa. 

Figura 3. Aferição do ar aprisionado e da massa específica. 

Figura 4. Espalhamento (slump-flow) e corpos de prova sendo moldados para os ensaios de resistência à compressão. 

O traço final que atendeu às características desejadas foi obtido pelas proporções de materiais expostas na Tabela 1.

4. ESTUDO TÉRMICO

O estudo térmico foi desenvolvido com o programa b4cast 3.0, que emprega o método da maturidade (calculado pela equação de Arrhenius), como descreve a ASTM C 1074-04 (ASTM, 2004). Este programa baseia-se no Método dos Elementos Finitos, sendo capaz de simular o histórico de evolução das temperaturas e das tensões oriundas das diferenças de temperatura no interior do elemento. Para estimar a tensão de tração, a Equação (1) foi empregada, como prescrito na normalização brasileira.

Várias simulações foram realizadas, explorando diferentes estratégias de concretagem. A Construtora desejava investigar a possibilidade de concretar todo o bloco em apenas uma ou duas camadas, o que provou ser não recomendado, visto que as tensões internas de tração seriam maiores que resistência à tração de concreto. Como resultado das simulações considerando uma ou duas camadas, decidiu-se por investigar o comportamento das temperaturas e tensões numa concretagem do bloco em quatro camadas, cada uma com 1.125m de altura, com um intervalo de três dias entre os eventos. A temperatura de pico, de 64,6º, diminuiu para 54°C (redução de aproximadamente 20%). Também diminuíram as tensões de tração, as quais ficaram muito próximas à evolução da resistência à tração, resultando na baixa possibilidade de fissuras de origem térmica (Figura 5).

Figura 5. Concretagem do bloco em quatro camadas de 1,125m de altura e intervalo de três dias entre eventos de concretagem: (a) temperaturas e (b) tensões térmicas vs. resistência à tração. 

5. PRODUÇÃO DO CONCRETO E PROCEDIMENTOS EXECUTIVOS

Os procedimentos recomendados para a concretagem dos blocos de fundação foram baseados nas disposições da normalização vigente (^{ABNT, 2004}; ^{ACI, 2010}) e nas boas práticas de engenharia (^{Kosmatka e Wilson, 2011}; ^{Kennedy, 2005}).

Para garantir que a produção e a aplicação do concreto na obra cumpririam com as normas de qualidade e as características especificadas, procedimentos executivos específicos (Tabela 2) foram estabelecidos, os quais deveriam ser adotados pela Empresa de Serviços de Concretagem, pela Construtora e pelo Laboratório de Controle Tecnológico.

É muito importante ressaltar o fato de que, para que o concreto ingressasse à obra com temperaturas inferiores a 20ºC, um restrito e periódico controle da umidade da areia e da massa real dos sacos de gelo carregados em cada caminhão betoneira teve de ser rigorosamente conduzido.

Visto que, no Brasil, o gelo geralmente é vendido em sacos de massa nominal de 20kg, a massa média de um saco teve de ser aferida com frequência, para garantir que a quantidade especificada previamente de água estava efetivamente sendo adicionada à mistura.

6. SUPERVISÃO TÉCNICA EM CAMPO

A produção do concreto e os procedimentos de concretagem foram supervisionados, com o intuito de garantir que as recomendações fossem cumpridas e também para corrigir quaisquer desvios que pudessem ocorrer ou dar o suporte necessário em ocasiões específicas.

6.1. Supervisão na central de concreto

Na central de concreto da Empresa de Serviços de Concretagem, situada a cerca de 20min da obra, as temperaturas do cimento e dos agregados foram verificadas em diferentes oportunidades durante o dia. A temperatura do cimento nunca ultrapassou os 50ºC. Procedeu-se com aspersão de água sobre os agregados (Figura 6), pois durante as tardes a temperatura ambiente chegava a mais de 30ºC. A aspersão de água manteve a temperatura dos agregados inferior a 25ºC (Figura 7).

Figura 6. Aspersão de água nos agregados graúdos na central de concreto. 

Figura 7. Registro da temperatura dos agregados graúdos antes e após a aspersão de água na central de concreto. 

A quantidade de sacos de gelo foi determinada através da aferição da umidade da areia e, então, calculada a massa média dos sacos de gelo. Com o incremento de temperatura durante o dia, o gelo poderia derreter mais rapidamente, forçando novas medidas.

Uma plataforma móvel foi instalada na traseira do caminhão de gelo e a quantidade determinada de sacos de gelo foi provida no caminhão betoneira. Um técnico do Laboratório de Controle Tecnológico verificou o número de sacos carregados por caminhão.

6.2. Supervisão na obra - Temperatura e slump-flow do concreto

Com a chegada do concreto à obra, sua temperatura foi devidamente controlada. Caso superior a 20ºC, o concreto era rejeitado. A temperatura média dos eventos de concretagem foi inferior a 18ºC (Figura 8).

Figura 8. A temperatura do concreto fresco foi controlada para cada caminhão betoneira através da imersão de um termômetro digital (exemplo: 13.2ºC). 

Caso a temperatura do concreto estivesse de acordo com a especificação, o espalhamento (slump-flow) do concreto era medido, devendo apresentar valores entre 600mm e 750mm. Além disso, como condicionante para a aceitação do concreto, o mesmo não poderia apresentar segregação. O slump-flow deveria ser a média de três diferentes medidas do diâmetro, e foi verificado pelo Laboratório de Controle Tecnológico (Figura 9).

Figura 9. Aferição do espalhamento (slump-flow) do concreto. 

6.4. Supervisão na obra - Posicionamento das bombas de concreto e procedimento de concretagem

O posicionamento das bombas de concreto e a sequência de concretagem foi discutida juntamente com a equipe técnica da Construtora. Três bombas foram utilizadas (Figura 10). O concreto deveria ser lançado em subcamadas uniformes, com aproximadamente 0,3m de altura, iniciando ao lado da entrada com a bomba nº.1 e prosseguindo para os fundos com as bombas nº. 2 e 3.

Figura 10. Vista geral - Posicionamento das bombas de concreto. 

A sequência de concretagem descrita foi empregada para todas as camadas. As duas primeiras foram concretadas antes da execução da armação superior (Figura 11a). Após a finalização de cada camada, a superfície foi preparada para apresentar a rugosidade necessária para promover uma melhor aderência com a camada subsequente. A cura do concreto iniciou imediatamente após o endurecimento, pela criação de uma lamina de água sobre a superfície. Previamente à concretagem, a superfície foi drenada e limpa com jatos de água. O concreto foi lançado sobre uma superfície saturada. Após a execução da segunda camada, a armação superior dos blocos e dos pilares foi posicionada, e o concreto foi aplicado com o auxílio de tremonhas (Figuras 11b e 12).

Figura 11. (a) Concretagem da segunda camada sem a armação superior e (b) aplicação do concreto após a montagem de todas as armaduras. 

Figura 12. A armação superior consistia de duas camadas duplas de barras de 32mm de diâmetro. O concreto autoadensável foi concebido para atravessar esta malha tanto a superior como a do fundo do bloco que era ainda mais concentrada. 

7. RESULTADOS

7.1 Controle tecnológico

Com relação ao controle tecnológico da resistência à compressão do concreto, ensaios foram realizados por amostragem total (100% dos caminhões betoneira) nas idades de 7, 28 e 63dias. A maioria dos resultados foi de encontro aos requisitos de resistência à compressão (f _ck ≥ 70 MPa) e demais especificações de projeto. Os resultados de resistência à compressão aos 28dias de uma das camadas estão apresentados graficamente na Figura 13.

Figura 13. Exemplo de resultados de resistência à compressão do concreto de uma das camadas. Média móvel a cada 3 betonadas. 

Além disso, o concreto autoadensável demonstrou um excelente desempenho em campo, acelerando a concretagem: o tempo médio necessário para bombear um caminhão de 6m³ foi de 15minutos (incluindo os ensaios de aceitação), e não houve necessidade de vibração (adensamento).

7.2 Temperaturas aferidas no interior dos blocos de fundação

As temperaturas reais no concreto foram registradas. O pico de temperatura, 57ºC, foi alcançado na quarta camada após 582h do início da concretagem. Como se percebe no gráfico, o intervalo de tempo entre concretagens foi alterado in loco para melhor se adequar à execução. Ao invés de 3, 3 e 3 dias de intervalo, 3, 10 e 2 foram empregados, o que levou a diferenças de temperatura inferiores a 10% (Figura 15).

Figura 15. Temperaturas resultantes do calor de hidratação do cimento, conforme registradas em campo. Intervalos de 3, 10 e 2 dias. 

8. CONCLUSÕES

Este artigo teve como objetivo demonstrar que o desenvolvimento prévio de estudos de laboratório de traços de concreto e de simulações térmicas computacionais, bem como a proposição de procedimentos executivos rigorosos e, em especial, o controle e supervisão técnica de eventos de concretagem em campo, foram fatores determinantes para promover um elemento estrutural com integridade e em conformidade com as especificações do projeto, sem fissuras.

Assim, como uma menção final, observou-se que as premissas observadas neste artigo, tanto teóricas (antes da concretagem) quanto práticas (durante e após a concretagem), possibilitaram um resultado satisfatório, revelando serem poderosas ferramentas para planejamento e execução de estruturas de concreto desafiadoras e tecnicamente complexas, como as que envolvem concreto massa.